指令的基本格式：结构、长度、分类

一. 指令的基本格式

一条指令就是机器语言的一个语句，它是一组有意义的二进制代码。

1. 结构

一条指令通常包括操作码字段和地址码字段两部分。

(1) 操作码 OP：指出指令中应该执行什么性质的操作和具有何种功能。即进行什么操作，如取数、乘法、加法、停机。

(2) 地址码 Ai：给出被操作的信息（指令或者数据）的地址。即对谁进行操作。

2. 长度

(1) 指令字长：一条指令的总长度（可能会变）。

(2) 机器字长：CPU 进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数（通常和 ALU 直接相关）（固定不变）。

(3) 存储字长：一个存储单元中的二进制代码位数（通常和 MDR 位数相同）（固定不变）。

什么是指令字长、机器字长和存储字长？

指令字长是指一个指令字中包含二进制代码的位数。机器字长指计算机能直接处理的二进制数据的位数。存储字长指一个存储单元存储一串二进制代码（存储字）的位数。

指令字长会影响取指令所需时间。如：机器字长 = 存储字长 = 16bit，则取一条双字长指令（32bit）需要两次访存。

① 按指令长度分类

单字长指令：长度等于机器字长。
双字长指令：长度等于两倍机器字长。
半字长指令：长度等于半个机器字长。
定长指令字结构：所有指令长度相同。
变长指令字结构：各种指令长度不同。

② 按操作码长度分类

定长操作码：指令系统中所有指令的操作码长度都相同。n 位的操作码可以支持 2n 条指令。控制器的译码电路设计简单，但灵活性较低。
可变长操作码：指令系统中各指令的操作码长度可变。控制器的译码电路设计复杂，但灵活性较高。

3. 根据操作数地址码数目分类

(1) 零地址指令

只给出操作码，没有给出地址。

① 不需要操作数的指令。如停机指令、空操作指令、关中断指令。
② 零地址的运算类指令仅使用在堆栈计算机中

通常参与运算的两个操作数隐含的从栈顶和次栈顶弹出，送到运算器进行运算，运算结果再隐含地压入堆栈。

类似于用栈实现中缀转后缀，详见 3-2 栈和队列 - 应用 - 2. 表达式求值 - (6) 用栈实现中缀转后缀（运算符栈）。

(2) 一地址指令

给出操作码和一个地址码。若指令字长 32 位，操作码 8 位，地址码 24 位，则指令操作数直接寻址范围为 224，其他同理

① 只有目的操作数的单操作指令

按 A1 读取操作数，进行 OP 操作后，结果存回源地址。对地址码指定位置的操作数进行操作码操作，存回地址码指定位置 OP(A1) → A1

如：加 1、减 1、取反

A1 指某个主存地址，(A1) 表示 A1 所指向的地址中的内容

需要三次访存：取指令、取操作数、存放结果

② 隐含约定目的地址的双操作数指令

按指令地址 A1 读取源操作数，指令可隐含约定。另一个操作数由 ACC 提供，运算结果也存入 ACC 中。对地址码指定位置的操作数与 ACC 存放的操作数进行操作码运算，结果存入 ACC，即 (ACC) OP(A1) → ACC

如：加法、减法、乘法、除法

需要两次访存：取指令、取操作数

(3) 二地址指令

给出操作码和两个地址码。常用于需要两个操作数的算术运算、逻辑运算相关指令。

对目的地址码 A1 指明的目的操作数和源地址码 A2 指明的源操作数进行操作码执行的运算，结果存回目的操作数的地址 A1（目的地址码），即 (A1) OP(A2) → A1

需要四次访存：取指令、取两个操作数、存放结果

(4) 三地址指令

(A1) OP(A2) → A3

需要四次访存：取指令、取两个操作数、存放结果

(5) 四地址指令

(A1) OP(A2) → A3，A4 指明下一条要执行指令的地址

需要四次访存：取指令、取两个操作数、存放结果

正常情况下，取指令后 (PC) + 1 → PC，PC 自动指向下一条指令。但在四地址指令中，应该将 PC 的值修改为 A4 所指向的地址

二. 扩展操作码指令格式

扩展操作码是定长指令字结构（所有指令长度相同）和可变长操作码（操作码的长度可变）的结合。操作码的长度随地址码的减少而增加，不同地址数的指令可具有不同长度的操作码，从而在满足需要的前提下，有效地缩短指令字长。但增加了指令译码和分析的难度，使控制器的设计复杂化。

1. 三地址指令：OP 4 位，0000 ~ 1110，15 条

对于三地址指令，前 4 位为基本操作码 OP，后面三个地址字段 A1、A2、A3 分别占 4 位，指令字长共 16 位。4 位基本操作码若全部用于三地址指令，即从 0000 到 1111 共 16 条。为保证零地址、一地址、二地址指令的使用，需留出 1111 开头的 OP 作为扩展操作码。因此三地址指令共 15 条。

2. 二地址指令：OP 8 位，11110000 ~ 11111110，15 条

对于二地址指令，前 8 位为基本操作码 OP，后面两个地址字段 A1、A2 分别占 4 位，指令字长共 16 位（不变）。8 位基本操作码若全部用于二地址指令，二地址指令的 OP 以 111 开头，范围 1111 0000 ~ 1111 1111，共 16 条。同样二地址指令需要将 1111 1111 开头的 OP 留作扩展操作码，供一地址和零地址使用。因此二地址指令共 15 条。

3. 一地址指令：OP 12 位，